电动汽车：48V 即为新 12V

电动汽车（电动出行）可能是近年来科技公司和消费者都必须面对的最重大挑战之一。虽然人们越来越渴望找到能够彻底改变我们出行方式的环保系统，但也需要确保新环保技术具有尽可能最高的性价比。

汽车 OEM 厂商必须在提高汽车性能的同时，达到日益严苛的二氧化碳排放标准，才能保持竞争力。纯电动汽车 (EV)、混合动力电动车 (HEV) 和燃油汽车 (ICE) 的电气化解决了这一重大挑战。为了满足不断增长的电源需求，增加了 48V、400V 和 800V 等更高电压的电池这反过来又增加了供电架构的复杂性，并对尺寸和效率提出了新的要求。

轻度混合动力电动车 (MHEV) 系统是电气化的门户。此外，它们也被确定为轻型混合动力推进系统，将推动混合动力车型的指数级增长。MHEV 系统能够在制动时回收车辆能量，在车辆重启时提供能量，因此可降低油耗和二氧化碳排放。

HEV 车型的第二种电气化方案是让电动机与内燃机一起工作，使车辆能够在纯电动模式下行驶几公里。另一种流行的替代方案是插电式混合动力电动车 (PHEV)，其电池可通过电网充电，零排放续航里程增至 50 公里左右。在这种情况下，随着几十款插电式混合动力车型上市，电气化明显高于 MHEV 技术和混合动力技术，购买成本也是。

纯电动汽车 (BEV) 没有内燃机，由逆变器和电动机的组合提供动力。纯电动车可通过电网充电，也可在刹车过程中充电。在电动汽车中，我们还发现了增程电动车 (EREV) ，配有一个小型内燃机，专门用作电流发生器，可在电量低时为电池充电。最后一类是燃料电池电动汽车 (FCEV)，由氢燃料电池驱动。

解决方案不仅包括固态电池或氢燃料电池等新能源存储技术，而且可以通过新电气架构以及减轻重量来提高汽车效率。

当前的电气化挑战

“当前的电气化挑战如下：降低成本、实现积极的二氧化碳排放目标、管理电源需求的变化、为原有 12V 负载供电、交付更轻、性能更高的车辆、提高电源水平、更短的充电时间以及管理来自 800V 及 400V 电池系统的更高电压。”Vicor 公司全球汽车业务开发副总裁 Patrick Wadden 指出。

轿车、卡车、公交车和摩托车的制造商都在快速为其车辆实现电气化，以提高内燃机的燃油效率并减少二氧化碳排放。电气化选择很多，但大多数制造商都没有选择完全混合动力系统，而是选择 48V 轻度混合动力系统。轻度混合动力系统除了有传统 12V 电池之外，还新增了一款 48V 电池。

“车上有一个 800V 或 400V 的电池。Vicor 从电池中获取 800V 或 400V 的电源并将其转换为 48V，为电动涡轮、前挡风玻璃和冷却泵等负载供电。由 800V 或 400V 电池供电的系统可选择完全取消 48V 电池，创建一款虚拟 48V 电池。消除 48V 电池可为 OEM 厂商提供更高的功率密度，更轻的重量以及更小的尺寸，所有这一切均可实现更大的行驶里程。这些解决方案具有可扩展性，因此适用于入门级豪华轿车。”Wadden 说道。

48V 技术高效分配电力

48V 技术可增加 4 倍的功率 (P = V • I)，用于较重负荷，如空调以及启动时的催化转换器等。为了提高汽车性能，48V 系统可为混合动力发动机供电，该发动机可用于更快、更平稳的加速，同时节省燃油。

“不再犹豫是否修改长期存在的成本优化型 12V 供电网络 (PDN)，可能是最大的挑战。”Wadden 表示。他继续道：“对于汽车产业而言，48V 轻度混合动力系统可提供一种快速推出排放更低、续航更远、油耗更低的方式和实用的方法。此外，它还可为提高性能和功能并减少二氧化碳排放提供令人振奋的全新设计选项。

绝大多数的集中式 DC-DC 转换器都很笨重，因为它们采用较早的低频率开关 PWM 拓扑。需要考虑的最新架构是采用电源模块的分布式供电（图 4）。

“使用分布式模型的优势可以在系统层面上实现得更为明显，因为可以减少全车布线重量：将转换器布置在离负载最近的地方具有优势，可以最大限度减少阻抗和电阻，，简化一些散热方法，在某些情况下，甚至可取消制冷板或液冷系统。通过更多选择来实现功能安全的选项，离不开高灵活性。”Wadden 表示。

这种供电架构使用体积更小、功耗更低的48V - 12V 转换器。去中心化电源架构为供电系统提供了显著的热管理优势。

“我们来看看中心化系统与去中心化系统的高层示意图。左边有一个传统 3kW 银盒，一般提供 400V 输入至 12V 输出，为汽车 12V 负载供电。右边是一个展示如何将 48V 用于全车的示例：转换器正好布置在负载点上，去中心化模型取代大银盒，根据需要在整个车上分散配电。这也允许实施支持冗余供电的 ASIL FUSA。随着电源需求的增加，管理变得越来越困难，而且不能继续增加这些老式传统银盒。”Wadden 说。

最新 48V PDN 必须支持电源要求更高的原有 12V 负载，以及使用电缆的最新大功率驱动、转向及制动系统。与更大、更笨重的分立式解决方案相比，在负载数量不断增加的情况下提供更多的 48V 电源，需要高密度模块。Vicor 提供几款用于 48V 供电的模块。这些器件包括固定比率的稳压转换解决方案，可在升降压模式下均支持 48V 及 12V 负载。这些转换器可部署在单个外壳中，也可采用更小、更轻的 48V PDN 分布在整个汽车中。

Vicor NBM 模块可使用於分布式架構中，当OEM 厂商需要将全车的电压转换级靠近负载部署，并将 48V 降压至 12V 或将 12V 升压至 48V。

在使用 400V 和 800V 充电站的情况下，车辆与充电站的兼容性需要一个尽可能简单但最重要是高效的转换解决方案。NBM6123 采用 61 x 23mm CM-ChiP 封装，可提供 6.4kW 的 400V 及 800V 固定比率转换，从而可为不同汽车与充电站的兼容实现可扩展、高效率、高密度的解决方案。Vicor 解决方案的双向功能允许使用相同的模块执行升压或降压转换。此外，NBM6123 还可在充电过程中为车辆供电，让空调保持运行，从而可最大限度减少电池平衡电路。

总结

当前向汽车电气化迈进的形式多种多样，为其供电很复杂。一辆汽车有许多不同的系统，每个系统可能都有不同的电源要求。模块化电源方案本质上具有更高的灵活性和可扩展性，能够解决无数这类难题。Vicor 的高性能解决方案体积小、重量轻，旨在解决所有系统的电源转换、充电及供电问题。